JPH083770A - マイクロ波プラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 プラズマ電位を安定させ、試料保持部を通し
て試料に高周波を印加した場合に試料表面に発生するバ
イアス電圧を安定させる。 【構成】 マイクロ波発振器２３と、マイクロ波を伝送
する導波管２２と、それに接続された誘電体線路２１
と、それに対向配置されたマイクロ波導入窓１４を有す
る反応器１１と、その内に配設された試料保持部１５ａ
と、それに高周波を印加する高周波電源１８と、マイク
ロ波導入窓１４と試料保持部１５ａとの間に設けられ、
マイクロ波透過孔３０ａを有するアースされた導電体板
３０とを備えたプラズマ処理装置において、導電体板３
０の面積に対するマイクロ波透過孔３０ａの総面積の比
が０．２５〜０．６５の範囲に設定されるマイクロ波プ
ラズマ処理装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はマイクロ波プラズマ処理
装置に関し、より詳細には例えば半導体素子基板等のエ
ッチング装置、薄膜形成装置等として用いられるマイク
ロ波プラズマ処理装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】真空近くに減圧した容器内に反応ガスと
マイクロ波を導入し、ガス放電を起こさせてプラズマを
生成させ、このプラズマを基板表面に照射してエッチン
グや薄膜形成等の処理を行なわせるマイクロ波プラズマ
処理装置は、高集積半導体素子等の製造において欠くこ
とができないものとなってきている。その中でも特に、
プラズマの生成とプラズマ中におけるイオンの加速とが
それぞれ独立して制御可能なマイクロ波プラズマ処理装
置は、ドライエッチング技術や薄膜形成における埋め込
み技術にとって不可欠のものになってきており、その研
究開発が進められている。

【０００３】図５は、プラズマの生成とプラズマ中のイ
オンの加速とをそれぞれ独立して制御することを目的と
し、本出願人が特願平４ー２５１７９７号において提案
したマイクロ波プラズマ処理装置を模式的に示した断面
図であり、図中１１は中空直方体形状の反応器を示して
いる。この反応器１１はステンレス等の金属を用いて形
成され、その周囲壁は二重構造となっており、その内部
には冷却水通路１２が形成され、冷却水通路１２に流れ
る冷却水は冷却水導入口１２ａより供給され、冷却水排
出口１２ｂより排出されるようになっている。冷却水通
路１２の内側には反応室１３が形成されており、また反
応器１１の上部はマイクロ波の透過性を有し、誘電損失
が小さく、かつ耐熱性を有する石英ガラス、パイレック
スガラス、アルミナ等の誘電体板を用いて形成されたマ
イクロ波導入窓１４によって気密状態に封止されてい
る。マイクロ波導入窓１４の下面には、アースされた電
極手段としての金属製の導電体板３１が当接して配置さ
れ、この導電体板３１にはマイクロ波の進行方向に対し
て垂直に複数個のスリット３２が形成され、導電体板３
１は反応器１１を介して接地３３されている。あるい
は、導電体板３１はマイクロ波導入窓１４と試料保持部
１５ａとの中間位置に配設されており、反応器１１を介
して接地３３されている。

【０００４】また、反応室１３内における導電体板３１
と対向する箇所には試料Ｓを保持するための試料保持部
１５ａとこれが載置された試料台１５とが配設されてお
り、試料台１５は上下方向に昇降が可能なように駆動装
置（図示せず）に接続されている。試料保持部１５ａに
は試料Ｓ表面にバイアス電圧を発生させるための高周波
電源１８が接続されており、また試料Ｓを保持するため
の静電チャック等の吸着機構（図示せず）が装備される
とともに、試料Ｓを冷却するための冷媒等を循環させる
冷却機構（図示せず）が配設されている。反応器１１の
下部壁には図示しない排気装置に接続された排気口１６
が形成されており、また反応器１１の一側壁には反応室
１３内に所要の反応ガスを供給するためのガス供給管１
７が接続されている。

【０００５】一方、反応器１１の上方には誘電体線路２
１が配設されており、誘電体線路２１はＡｌ等の金属板
２１ａ及び誘電体層２１ｃにより構成され、誘電体線路
２１の終端は金属製の反射板２１ｂで封止されている。
誘電体層２１ｃは金属板２１ａの下面に貼着され、この
誘電体層２１ｃは例えば誘電損失の小さいフッ素樹脂、
ポリエチレンあるいはポリスチレン等を用いて形成され
ている。誘電体線路２１には導波管２２を介してマイク
ロ波発振器２３が連結されており、マイクロ波発振器２
３で発生したマイクロ波が導波管２２を介して誘電体線
路２１に導入されるようになっている。

【０００６】このように構成されたマイクロ波プラズマ
処理装置を用いて例えば試料保持部１５ａ上に載置され
た試料Ｓ表面にエッチング処理を施す場合、まず試料保
持部１５ａに載置された試料Ｓの位置が所定の高さにな
るように前記駆動装置を用いて調整した後、排気口１６
から排気を行ない、その後にガス供給管１７から反応室
１３内に反応ガスを供給し、反応室１３内を所要の圧力
に設定する。また冷却水を冷却水導入口１２ａから供給
し、冷却水通路１２内を循環させて冷却水排出口１２ｂ
から排出させる。次いで、マイクロ波発振器２３におい
てマイクロ波を発振させ、このマイクロ波を導波管２２
を介して誘電体線路２１に導入する。すると誘電体線路
２１下方に電界が形成され、形成された電界がマイクロ
波導入窓１４とアースされた導電体板３１におけるスリ
ット３２とを透過し、反応室１３内においてプラズマを
生成させる。この後、高周波電源１８を用いて試料保持
部１５ａに高周波を印加し、ア−スされた導電体板３１
によって試料Ｓ表面に安定したバイアス電圧を生じさせ
る。そして安定的に発生させたバイアス電圧によってプ
ラズマ中のイオンを試料Ｓ表面に対して垂直に入射させ
るとともにイオンのエネルギーを制御しながらエッチン
グを行なう。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記したマイクロ波プ
ラズマ処理装置においては、スリット３２を有するア−
スされた導電体板３１がマイクロ波導入窓１４に当接し
て配置されている。あるいはスリット３２を有するア−
スされた導電体板３１がマイクロ波導入窓１４と試料保
持部１５ａとの中間位置に配設されている。その結果、
プラズマに対するアース電位が安定してプラズマポテン
シャルが安定し、試料保持部１５ａに高周波を印加した
際、試料Ｓ表面に安定したバイアス電圧を生じさせるこ
とができ、プラズマ中のイオンエネルギーを適正化し、
かつ試料表面に対してイオンを垂直に照射することがで
きる。しかしながら、スリット３２の総面積に対する導
電体板３１の面積の比を大きくした場合、安定したバイ
アス電圧を生じさせることができる反面、マイクロ波の
充分な通過による安定したプラズマ放電状態を維持する
ことが困難になるという課題があった。

【０００８】また、導電体板３１の面積に対するスリッ
ト３２の総面積の比を大きくした場合、安定したプラズ
マ放電を生じさせることができる反面、ア−ス電位の明
確化による安定したバイアス電圧の生成は困難になると
いう課題があった。

【０００９】本発明はこのような課題に鑑みなされたも
のであり、プラズマ放電を安定させつつ、プラズマ電位
を安定させ、試料保持部を通して試料に高周波を印加し
た場合に試料表面に発生するバイアス電圧を安定させる
ことができるマイクロ波プラズマ処理装置を提供するこ
とを目的としている。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明に係るマイクロ波プラズマ処理装置は、マイク
ロ波発振器と、マイクロ波を伝送する導波管と、該導波
管に接続された誘電体線路と、該誘電体線路に対向配置
されたマイクロ波導入窓を有する反応器と、該反応器内
に配設された試料保持部と、該試料保持部に高周波電界
または直流電界を印加する手段と、前記マイクロ波導入
窓と前記試料保持部との間に設けられ、マイクロ波透過
孔を有するアースされた電極手段とを備えたプラズマ処
理装置において、前記アースされた電極手段の面積に対
する前記マイクロ波透過孔の総面積の比が０．２５〜
０．６５の範囲に設定されているを特徴としている。

【００１１】

【作用】上記構成のマイクロ波プラズマ処理装置におい
ては、アースされた前記電極手段の面積に対するマイク
ロ波透過孔の総面積の比が所定値以上に設定されている
ので、マイクロ波が前記マイクロ波透過孔を介して前記
試料保持部側へ充分に通過し、安定したプラズマ生成が
可能となる。また、アースされた前記電極手段の面積に
対する前記マイクロ波透過孔の総面積の比を所定値以下
にしたので、アース面積が確保され、試料表面に発生す
るバイアス電圧が安定する。

【００１２】

【実施例及び比較例】以下、本発明に係るマイクロ波プ
ラズマ処理装置の実施例を図面に基づいて説明する。な
お、従来例と同一の機能を有する構成部品には同一の符
合を付すものとする。

【００１３】図１は実施例に係るマイクロ波プラズマ処
理装置を模式的に示した断面図であり、該マイクロ波プ
ラズマ処理装置における導電体板３０を除いたその他の
構成は従来例のものと同様であるため、ここではその詳
細な説明は省略するものとする。

【００１４】実施例に係る装置にあっては、反応器１１
内に試料保持部１５ａと平行にアースされた電極手段と
してのアルミニウム製の導電体板３０が配設されてい
る。導電体板３０上には、図２に示した複数個の矩形の
マイクロ波透過孔３０ａがマイクロ波の進行方向に対し
て平行に形成されており、マイクロ波がマイクロ波導入
窓１４からマイクロ波透過孔３０ａを透過して反応器１
１内に導入されるように構成されている。本実施例では
ア−スされた導電体板３０はマイクロ波導入窓１４に当
接して配置されているが、これに限定されるものではな
く、別の実施例ではアースされた導電体板３０がマイク
ロ波導入窓１４と試料保持部１５ａとの中間位置に配設
されていてもよい。また、本実施例では導電体板３０の
材料としてアルミニウムを用いているが、これに限定さ
れるものではなく、導電性を有し、汚染源になりにくい
材料であればよく、その他カーボン、シリコン、もしく
は薄い表面酸化膜を有する材料（例えば表面アルマイト
とアルミニウム）を用いても差し支えない。

【００１５】図３（ａ）におけるハッチング部はマイク
ロ波透過孔３０ａの総面積を、図３（ｂ）におけるハッ
チング部は導電体板３０の面積をそれぞれ示しており、
本実施例では、マイクロ波進行方向と平行方向に長さを
有する複数個の矩形のマイクロ波透過孔３０ａが形成さ
れているが、これに限定されるものではなく、別の実施
例では進行方向と垂直方向に長さを有する複数個のマイ
クロ波透過孔が、あるいは方向に対して特に限定されな
い複数個の円形のマイクロ波透過孔が、さらにはそれら
両方が組み合わされたマイクロ波透過孔が形成されてい
てもよい。また本実施例ではア−スされた導電体板３０
は矩形であるが、これに限定されるものではなく、別の
実施例では円形であっても差し支えない。

【００１６】以下に、本実施例に係る装置を用いてシリ
コン酸化膜（ＳｉＯ₂ 膜）のエッチングを行った結果に
ついて説明する。この場合、試料Ｓとして 8インチのシ
リコンウエハ上に 1μm のＳｉＯ₂ 膜が形成されたもの
を使用し、放電用ガスとしてはＣＦ₄ を約30sccm、ＣＨ
Ｆ₃ を約30sccm及びＡｒを約100sccm の割合で供給し、
反応室１３内のガス圧力を約 30mTorrに設定し、またマ
イクロ波は周波数が2.45GHz のものを用い、1kw の電力
によりプラズマを生成させた。さらに試料保持部１５ａ
には周波数が400kHzの高周波を600Wの電力で供給した。

【００１７】図４に、ア−スされた導電体板３０の面積
に対するマイクロ波透過孔３０ａの総面積の比と、シリ
コン酸化膜の相対的エッチング速度との関係を示す。こ
こでア−スされた導電体板３０の面積に対するマイクロ
波透過孔３０ａの総面積の比とは「マイクロ波透過孔の
総面積（図３（ａ）参照）」÷「導電体板の面積（図３
（ｂ）参照）」を意味し、シリコン酸化膜の相対的エッ
チング速度とは、マイクロ波透過孔３０ａの総面積の比
を０．５としたときのシリコン酸化膜のエッチング速度
を１．０として算出した相対値である。結果は、マイク
ロ波透過孔３０ａの総面積の比が０．６５を超えるとエ
ッチング速度が実用上望ましくない程度にまで低下し、
逆に０．２５未満になるとプラズマの瞬きが視認され、
安定したプラズマ放電状態の維持が困難となった。これ
は、マイクロ波透過孔３０ａの総面積の比が大きくなる
とア−ス面積が不十分となり、プラズマから見たア−ス
電位が不安定となり、試料Ｓ表面に安定したバイアス電
圧が発生しなくなるためと考えられ、またマイクロ波透
過孔３０ａの総面積の比が小さくなるとマイクロ波の反
応室１３内への透過率が低下し、安定したプラズマ生成
が不可能になるためと考えられる。

【００１８】上記結果から明らかなように、ア−スされ
た導電体板３０の面積に対するマイクロ波透過孔３０ａ
の総面積の比は、０．２５〜０．６５の範囲にあること
が望ましい。

【００１９】なお、本実施例においてはマイクロ波プラ
ズマ処理装置をエッチング装置として使用した場合につ
いて説明したが、何らこれに限定されるものではなく、
例えば薄膜形成装置等としても本発明に係る装置を使用
することができる。

【００２０】

【発明の効果】以上詳述したように本発明に係るマイク
ロ波プラズマ処理装置にあっては、アースされた電極手
段の面積に対するマイクロ波透過孔の総面積の比が０．
２５〜０．６５の範囲に設定されているので、安定した
プラズマの生成及び安定したバイアス電圧の発生を可能
とし、安定したプラズマ処理を施すことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るマイクロ波プラズマ処理装置の実
施例を模式的に示した断面図である。

【図２】実施例に係るアースされた導電体板の一例を模
式的に示した正面図である。

【図３】（ａ）はマイクロ波透過孔の総面積を説明する
ために示した導電体板の正面図である。（ｂ）は、マイ
クロ波透過孔形成以前の導電体板の面積を説明するため
に示した導電体板の正面図である。

【図４】本発明に係るマイクロ波プラズマ処理装置のア
ースされた導電体板の面積に対するマイクロ波透過孔の
総面積の比と、相対的エッチング速度との関係を示した
グラフである。

【図５】従来のマイクロ波プラズマ処理装置を模式的に
示した断面図である。

【符号の説明】

１１ 反応器 １４ マイクロ波導入窓 １５ａ 試料保持部 ２１ 誘電体線路 ２２ 導波管 ２３ マイクロ波発振器 ３０ 導電体板（アースされた電極手段） ３０ａ マイクロ波透過孔

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 馬渕 博嗣 大阪府大阪市中央区北浜４丁目５番33号 住友金属工業株式会社内 (72)発明者 秋元 健司 東京都港区芝五丁目７番１号 日本電気株 式会社内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 マイクロ波発振器と、マイクロ波を伝送
   する導波管と、該導波管に接続された誘電体線路と、該
   誘電体線路に対向配置されたマイクロ波導入窓を有する
   反応器と、該反応器内に配設された試料保持部と、該試
   料保持部に高周波電界または直流電界を印加する手段
   と、前記マイクロ波導入窓と前記試料保持部との間に設
   けられ、マイクロ波透過孔を有するアースされた電極手
   段とを備えたプラズマ処理装置において、前記アースさ
   れた電極手段の面積に対する前記マイクロ波透過孔の総
   面積の比が０．２５〜０．６５の範囲に設定されている
   ことを特徴とするマイクロ波プラズマ処理装置。